автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Диагностирование внутренних газопроводов жилых зданий на основе комплекса методов неразрушающего контроля

На правах ]э^описи

Зубарев Алексей Сергеевич

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ГАЗОПРОВОДОВ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005006347

1 5 ЛЕК 2011

Москва, 2011 г.

005006347

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шкатов П.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Покровский А.Д.

Ведущая организация: ЗАО НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Защита состоится "28" декабря 2011 г. в 12® часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "28" ноября 2011 г.

кандидат технических наук, доцент Дерябин А.А.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В. Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

На сегодняшний день широкое внедрение комплексного технического диагностирования с выявлением дефектных участков и их последующей заменой, может решить проблему безопасной эксплуатации внутренних газопроводов жилых зданий, что позволит существенно снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций и исключить возможные человеческие жертвы.

В настоящее время более чем у половины всех систем внутреннего газоснабжения, которые эксплуатируются в России, истек нормативный срок службы 30 лет (МДС 42-1.2000 «Положение о диагностировании технического состояния внутренних газопроводов жилых и общественных зданий»). По истечении этого срока, для обеспечения надлежащего уровня безопасности необходимо либо полностью заменить внутренний газопровод, либо провести замену только поврежденных участков выявленных в процессе проведения технического диагностирования. По имеющейся статистике одно повреждение приходится в среднем на 1000 метров внутреннего газопровода. При этом по предварительным оценкам стоимость работ по комплексной диагностике вместе с последующим ремонтом будет ниже полной замены внутреннего газопровода приблизительно в 10 раз.

В данной работе рассмотрены типовые дефекты труб проходящих через межэтажные перекрытия и причины их образования. Было установлено, что характерным дефектом труб находящихся в межэтажных перекрытиях являются коррозионные повреждения и как следствие, сильное утонение стенки. Основываясь на результатах данной работы, был сформулирован алгоритм проведения комплексного технического диагностирования внутренних трубопроводов жилых зданий. Проведен анализ возможности применения различных методов неразрушающего контроля с указанием требуемых параметров контроля.

1.2. Состояние проблемы.

Исследованию возможностей применения нормальных волн при ультразвуковом контроле посвящены работы российских ученых: А. А. Дерябина, И.А. Викторова, В.Т. Боброва, и иностранных специалистов: Gringsby T.N., Tajchman Е. J., Frederick C.L., Worlton D. Известные методики контроля волнами Лэмба позволяют обнаружить сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов. На основе применения нормальных волн возможно выявление в находящихся в межэтажных перекрытиях трубах внутренних дефектов типа трещин, пор и других объемных несплошностей. Ультразвуковой контроль труб находящихся в межэтажных перекрытиях по известным методикам не дает полного представления о техническом состоянии труб, находящихся в длительной эксплуатации. В частности им не выявляются коррозионные поражения, механические повреждения, повреждения лакокрасочного покрытия и т.д., которые негативно влияют на остаточный ресурс трубы.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель работы - повышение эффективности диагностирования труднодоступных участков трубопроводов зданий и сооружений на основе

комплекса методов неразрушающего контроля, включающего ультразвуковой контроль, течеискание и визуально - измерительный метод.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ характерных повреждений трубопроводов и причин их образования;

2. Разработать расчетную модель для проведения теоретических исследований по выбору близких к оптимальным параметров УЗ преобразователя, ориентированного на контроль труб в межэтажных перекрытиях.

3. На основе имеющихся образцов труб межэтажных перекрытий выбрать близкие к оптимальным параметры при ультразвуковом измерении толщины стенок открытой части трубопровода в динамическом режиме.

4. Провести на натурных объектах экспериментальные исследования ультразвукового, визуально-измерительного метода и метода контроля герметичности с целью определения критериев брака по каждому методу.

5. Разработать методику комплексного диагностирования труб межэтажных перекрытий и провести ее апробирование.

1.4. Методы исследования:

Методы исследования, использованные в настоящей работе, включали разделы акустики, теоретической физики, математического анализа и компьютерное моделирование. Экспериментальные исследования проведены на современном измерительном оборудовании на специально созданных и натурных образцах.

1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана расчетная модель, описывающая взаимодействие ультразвуковых преобразователей с трубами межэтажных перекрытий при использовании волн Лэмба.

2. Предложен специализированный преобразователь для контроля труб межэтажных перекрытий волнами Лэмба и на основе выполненных исследований определены его параметры, близкие к оптимальным.

3. На основании экспериментальных исследований определены близкие к оптимальным параметры проведения ультразвуковой толщинометрии в динамическом режиме - найдены скорости перемещения преобразователей в различных пространственных положениях и наиболее эффективный тип контактной жидкости.

4. Определены параметры, технологические схемы и критерии разбраковки при применении следующих методов НК: ультразвукового, визуально-измерительного и метода контроля герметичности на данном объекте.

5. Исследованы особенности отражения нормальных волн от различных дефектов (искусственных и естественных).

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• Разработаны и изготовлены пьезоэлектрические преобразователи и комплект настроечных образцов для ультразвукового контроля труб межэтажных перекрытий с применением волн Лэмба.

• Разработан образец-имитатор перехода трубы через межэтажное перекрытие.

• Разработана методика по комплексному техническому диагностированию внутренних газопроводов жилых зданий на основе ультразвукового и визуапьно-

измерительного видов контроля и контроля герметичности.

1.7. Реализация и внедрение результатов работы:

• На основании результатов данной работы были запущены в серийное производство фирмами ООО «Арсенал-НК» и ООО «НК-Инжиниринг» раздельно-совмещенные «хордовые» преобразователи для контроля кольцевых швов внутренних газопроводов жилых зданий в комплекте с образцом содержащим 2 типа искусственных дефектов («зарубка» и «плоскодонное отверстие»);

• Изготовлены стенды имитаторы стенных перегородок (межэтажных перекрытий) для обучения операторов-дефектоскопистов проведению комплексного технического диагностирования внутренних газопроводов жилых зданий;

• Разработана и внедрена методика комплексного технического диагностирования внутренних газопроводов жилых зданий и обучающая программа по подготовке операторов-дефектоскопистов для выполнения данных работ.

• Основные результаты работы использовались специалистами НК при проведении комплексного технического диагностирования внутренних газопроводов жилых зданий жилого фонда города Москвы в период с 2006 по 2011г.

• С использованием данной методики было обследовано в общей сложности более 3 км внутренних газопроводов проходящих через межэтажные перекрытия (примерно 800 квартир в жилых зданиях). По результатам контроля было забраковано 36 стыков трубопроводов проходящих через межэтажные перекрытия

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 9-ой Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2010 г.) и на XVIII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2011 г.), на НТС МГУПИ и ООО «Политест-Инжиниринг».

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатные работ, из них 3 без соавторов, 3 в журналах, признанных ВАК научным изданием. Список работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста, иллюстрируется 40 рисунками, содержит 9 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (52 наименования).

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту. •Конструкции пьезоэлектрических преобразователей и стандартных образцов

предприятия для ультразвукового контроля сварных швов внутренних трубопроводов.

•Методика комплексного неразрушающего контроля недоступных участков трубопроводов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности трубопровода, технология его изготовления, а именно: типы применяемых труб и нормативные требования по его прокладке, проведен анализ типовых дефектов, встречающихся в трубопроводах и причин их образования, определены направления исследований. Показано, что механизм развития повреждений в местах переходов через строительные конструкции зависит от типа конструкции узлов перехода. К ним относятся:

• Тип 1 - футляр полностью предохраняет газовую трубу от контакта с бетоном.

• Тип 2 - футляр частично предохраняет трубопровод от контакта с бетоном.

• Тип 3 - футляр отсутствует, газопровод непосредственно контактирует с бетоном.

Во всех трех случаях процесс коррозии начинается с увлажнения строительной конструкции (межэтажного перекрытия), вследствие, утечки влаги или образования конденсата. Практика показывает, что наибольшее количество дефектов возникает на 1-ой стадии развития коррозионных повреждений. На этом этапе коррозионное повреждение выглядит, как правило, в виде так называемой «шейки» (Рис. 1).

Газопровод или его футляр.

Строительная конструкция, (межэтажное перекрытие).

Коррозионное повреждение-«шейка».

Рисунок 1 - Наиболее часто встречающееся коррозионное повреждение внутреннего газопровода в месте перехода через строительную конструкцию-

«шейка».

Дефект типа «Шейка» представляет собой кольцевое углубление в теле трубы или её футляра расположенное в месте контакта с бетоном по периметру трубопровода. Дефект типа «шейка» имеет неровные края, по глубине может изменяться в пределах 0.1-2 мм и расположен на расстоянии не более 30 мм от поверхности строительной конструкции.

Показано, что для эффективного выявления всех типов дефектов труб, находящихся в межэтажном перекрытии, целесообразно, наряду с ультразвуковой дефектоскопией, применение других методов неразрушающего контроля.

Во второй главе изложено теоретическое исследование электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа с клиновым (наклонным) пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП). Цель исследований заключалась в определения близких к оптимальным параметров работы

преобразователя и расчету фазовых скоростей волн Лэмба, а также выбору угла наклона призмы и рабочей частоты ПЭП. Кроме того выбирались близкие к оптимальным параметры пьезопластины, работающей на излучение.

При исследованиях использовались следующие параметры: иг, 1г - напряжение и ток генератора при подключении к нему ПЭП; К - коэффициент, характеризующий процесс электроакустического преобразования электрического сигнала в амплитуду смещения частиц объемной волны в промежуточной среде;

X - коэффициент, учитывающий распространение акустического сигнала в промежуточной среде сопровождающееся его ослаблением, связанным с дифракционными явлениями и диссипативными потерями;

р - номер волны при преобразовании объемной волны в нормальную волну на границе контакта листа с промежуточной средой;

ур - коэффициент преобразования амплитуды объемной волны в амплитуду нормальной волны;

Др - коэффициент акустической нагрузки поверхности волновода;

Эр - ослабление волны за счет расхождения пучка, дисперсионных искажений

импульса, затухания при распространении в листе до дефекта;

<1рп - коэффициент, учитывающий трансформацию падающей волны в спектры

отраженных и прошедших волн;

Оп - коэффициент, учитывающий ослабление волны на пути от дефекта до приемника;

Ап - коэффициент, учитывающий изменение амплитуды принимаемого сигнала при вхождении в зону под ПЭП;

у'п - коэффициент преобразования нормальной волны в объемную («'» -обозначен приемный тракт);

К' - преобразование акустического сигнала в электрический; Для амплитуды смещения возбужденной нормальной волны вне зоны действия излучателя можно записать: 1/р = (С/г, 1Г)• К • % ■ ур ■ Ар (1)

Тогда амплитуду волны под приемником можно представить как:

и„=ир-Ор-с1рп-Оп-Ап (2)

Напряжение на электрической нагрузке приемника или ток в ней запишутся как:

К Л =ип-у'„-х'-К' (3)

Подставляя (1) и (2) в (3), получим:

= К-ГГр.Ар-Ор-с1р,гО„.\,.у:гх'-К' (4)

\У г' г)

Данное выражение представляет собой уравнение электроакустического тракта устройства, работающего на нормальных волнах с учетом преобразования последних на неоднородностях в объекте контроля.

В ультразвуковом дефектоскопе информацию о дефекте несет амплитуда сигнала, поэтому множители уравнения (4) нужно записать с модулями, а дефектоскопом производится регистрация напряжения, поэтому:

М)

=Н ■ М • Ы • М • \вр[ Ы ■ • М • 1*1 • 1*1

(5)

Для расчета фазовых скоростей волн Лэмба, выбора параметров призмы и рабочей частоты ПЭП была рассмотрена работа излучающего тракта: Угол 8 определится исходя из закона синусов по следующей формуле:

(

в = агсэт

Vе, У

(6)

где С| - скорость продольной волны в материале клина; ср - фазовая скорость нормальной волны в волноводе.

На основании дальнейших расчетов был построен график зависимости фазовой скорости нормальных волн от параметров волновода и частоты (Рис.2), на которой работает ПЭП. Учитывая, факт о невозможности применении для работы мод нулевого порядка и применяемые типоразмеры труб выбираем в качестве рабочей моду Я\.

Рисунок 2 - Зависимость фазовых скоростей воли Лэмба от толщины волновода и рабочей частоты ПЭП Для возбуждения нормальной волны с минимальным отклонением фазовой скорости от рассчитанных значений будем выбирать частоту возбуждения объемных волн в области, где кривые близки к горизонтальной. Для моды а] это /■8

значения от 3 и выше. Учитывая толщину трубы, равную Змм и рабочие

С1

частоты дефектоскопа, выберем Р=1.25МГц. При таких параметрах фазовая скорость нормальной волны моды Э| будет равняться

с„=1.017-3230 = 3285л/с

Подставляя значение ср в (6), получим:

/■ \

— - агезт! ^ I = 56,05° (для клина из оргстекла)

' = агезт

\ср )

I = агевш

. (2350^1

- агевш! I - 6 / (для клина из полистирола)

Также следует отметить, что при возбуждении и приеме волн Лэмба, целесообразно использовать пьезопластины прямоугольной формы. Наибольшая эффективность возбуждения волн получается при расположении пьезопластины таким образом, чтобы передняя геометрическая граница излученного ею УЗ пучка падала на передний угол клина, при этом не происходит переотражения падающих объемных волн в призму.

В качестве элемента, преобразующего электрические колебания в механические, были выбраны прямоугольные пьезопластины из цирконата-титаната свинца (ЦТС-19), обладающего высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (пьезоэлектрическая постоянная 13-19 Кл/кв.м) и точкой Кюри в 200°, что обеспечивает работу ПЭП в требуемом интервале температур.

Третья глава посвящена выбору и исследованию дополняющих ультразвуковой контроль методов неразрушающе го контроля при решении поставленной задачи. Предложено дополнительно к ультразвуковому (УЗК) использовать визуально-измерительный метод (ВИК) и метод течеискания

Для определения необходимой последовательности и объемов применения комплекса методов неразрушающего контроля (ВИК,УЗК,ПВТ) рассмотрены возможности каждого метода: 1. Визуально-измерительный контроль.

Путем экспериментальных исследований было установлено, что данный метод следует реализовывать путем непосредственного вскрытия слоя бетона толщиной примерно 10 мм в месте входа трубы в межэтажное перекрытие (Рис. 3.) Затем зачистить площадку примерно 7x7 мм до металлического блеска и сравнить зачищенную площадку с неочищенным участком трубы, на основании чего можно судить о степени коррозионного повреждения трубы.

При проведении оценки коррозионного состояния поверхности трубы рекомендуется введение 5-ти бальной шкапы оценки коррозионного повреждения поверхности: 1 бал - легкий налет ржавчины, 5 баллов - плотный слой продуктов коррозии и видно наличие изменения толщины стенки.

Браком считается недопустимое утонение стенки до образования сквозных дефектов. Забракованная по результатам ВИК труба признается негодной, а ее дальнейшее диагностирование другими методами не имеет смысла.

Рисунок3 - Вскрытие участка газопровода в месте перехода через строительную конструкцию в случае, когда футляр не предохраняет газовую трубу от контакта со строительной конструкцией.

(ПВТ).

2. Течеискание.

Наличие утечки говорит о нарушении герметичности трубопровода, как правило, за счет коррозии стенки трубы. Опыт показывает, что применение УЗК и ВИК не гарантируют выявление таких опасных дефектов, как несплошности, нарушающие герметичность труб. Для проведения контроля по методу течеискания необходимо произвести зачистку области входа трубы в бетон на 1015 мм и провести контроль гибкой головкой течеискателя по всему периметру трубы, находящейся под давлением газа. Если труба в межэтажном перекрытии прошла визуально измерительный контроль, то следует до заделывания вскрытого участка проверить его течеискателем. Критерием брака в данном случае считается наличие любой утечки. Дополнительно течеискателем следует проверить все резьбовые соединения и запорную арматуру, находящиеся в непосредственной близости к месту перехода трубопровода через бетонное перекрытие.

3. Ультразвуковой контроль.

Применение данного метода состоит из 2-х этапов, первым из которых является ультразвуковая толщинометрия. Ультразвуковую толщинометрию следует проводить не менее чем в 5-ти различных точках контролируемой трубы при вскрытии заделки. Для проведения толщинометрии рекомендуется использовать стандартный ультразвуковой толщиномер с прямым раздельно-совмещенным НЭП на 10 МГц. Перед проведением толщинометрии контролируемую поверхность необходимо смочить, зачистить и нанести контактную жидкость. Также по всем открытым участкам трубопровода следует проводить динамические ультразвуковые измерения толщины стенки трубы с использованием толщиномера, укомплектованного датчиком пути и соответствующим программным обеспечением для регистрации и хранения рельефа проконтролированного участка трубы. Критерием брака будет считаться уменьшение толщины стенки трубы менее 2мм т.к. труба с такой толщиной стенки не способна выдержать прилагаемые к ней в процессе статические и динамические нагрузки, что делает дальнейшую эксплуатацию данного участка опасной.

Труба

Межэтажное перекрытие

IX

пэп

Рисунок 4. - Схема ультразвукового контроля труб в межэтажных перекрытиях.

Для контроля сварных швов и тела трубы находящейся в межэтажном перекрытии следует применять ультразвуковой контроль волнами Лэмба. Для применения данного метода контроля рекомендуется ультразвуковой дефектоскоп типа УСД-60 или аналогичный ему, специализированные преобразователи типа П121 и комплект настроечных образцов.

После настройки необходимой чувствительности контроля по эталонному отражателю на разработанном стандартном образце и установки масштаба развертки прибора контроль трубы следует проводить по представленной на Рис. 4 схеме с шагом сканирования 5 мм.

Критерием брака при использовании данного метода будет считаться превышение амплитуды сигнала полученного от дефекта 5-7 дБ при настройке чувствительности по специализированному стандартному образцу.

На основе проведенных исследований определена следующая последовательность применения выбранных методов:

1. Визуально-измерительный контроль всего трубопровода с проведением вскрытия межэтажного перекрытия на толщину 10... 15 мм;

2. Проведение течеискания всех доступных сварных швов и запорной арматуры;

3. Проведение ультразвуковой толщинометрии как в статическом, так и в динамическом режимах для определения остаточной толщины стенок трубопровода;

4. Проверка состояния трубы в межэтажном перекрытии ультразвуковым методом контроля с применением волн Лэмба.

С целью исследования отражения нормальных волн от различных дефектов и получения возможности создания методики по комплексному техническому диагностированию внутренних газопроводов жилых зданий проводились следующие эксперименты:

1. Исследование зависимости амплитуды отраженного сигнала от вертикальных сверлений различной глубины;

2. Исследование зависимости амплитуды принимаемого ПЭП сигнала от расстояния до дефекта типа «сквозное сверление 01мм»;

3. Исследование зависимости амплитуды принимаемого ПЭП сигнала от материала призмы при выявлении дефектов типа «язвенная коррозия»;

4. Исследование зависимости амплитуды принимаемого ПЭП сигнала от материала призмы при выявлении дефектов типа «шейка»;

5. Исследование изменения амплитуды отраженного сигнала от дефектов типа «язвенная коррозия», «шейка» с применением промасленной ветоши, что имитирует заполнение футляра при строительстве перехода труб через межэтажное перекрытие;

УСД - 60

объект контроля

ПЭП

Рисунок 5,- Функциональная схема экспериментальной установки.

п

6. Исследование зависимости амплитуды принимаемого ПЭГ1 сигнала от материала призмы при выявлении искусственного дефекта типа «сквозное сверление 01мм» на трубе, поверхность которой соприкасается с бетоном;

Исследования проводились на экспериментальной установке, функциональная схема которой представлена на Рисунке 5. При проведении эксперимента снимались показания максимальной амплитуды от дефекта. Для этого выбиралось оптимальное расположение ПЭП на окружности трубы.

Результаты экспериментов представлены в виде следующих графиков:

о.о -2.0 -4.0 -6,0 -8.0 -10,0 -12,0 -1-1,0

шоС?е>™

Материал призмы оргстекло

^Материал призмы поликарбонат

глубина сверления, мм

Рисунок 6. - Зависимость амплитуды сигнала от материала призмы и глубины вертикального сверления

-20,0

материал призмы - ор гстекло

• материал призмы поликарбонат

расстояние между ПЭПи вертикальным сверлением, мм

Рисунок 7. -Зависимость амплитуды сигнала от материала призмы и расстояния между ПЭП и вертикальным сверлением

1

о

материал призмы - оргстекло

материал призмы - поликарбонат

и чистая труба

И труба с промасленной ветошью

материал призм

Рисунок 8. - Зависимость амплитуды сигнала для дефекта типа "язвенная коррозия" от качества поверхности трубы.

материал призмы оргстекло

материал призмы поликар бона т

чистая труба

"труба с промасленной ветошью

материал призм

Рисунок 9. - Зависимость амплитуды сигнала для дефекта "шейка" от качества поверхности трубы.

материал призмы - оргстекло материал призмы - поликарбонат

«чистая труба

■ труба с бетонным

0,0

!- -5,0 га

1-10,0 с:

1 "15,0 -20,0 -25,0

материал призм

Рисунок 10. - Зависимость амплитуды сигнала от наличия бетона на трубе.

Анализируя графики можно сделать следующие выводы:

1. С увеличением глубины дефекта (Рисунок 6.) растет и амплитуда сигнала от него, причем наибольший рост амплитуды происходит при приближении вертикального сверления к поверхности, что объясняется близостью нормальных волн нулевых мод к поверхностным волнам.

2. Анализ рисунка 7 показывает, что зависимость амплитуды сигнала от расстояния между ПЭП и дефектом близка к линейной. Эти зависимости могут быть использованы для настройки временной регулировки чувствительности (ВРЧ) ультразвукового дефектоскопа или нанесения браковочной кривой на экран дефектоскопа.

3. Рисунок 8 и рисунок 9 демонстрируют невысокую зависимость амплитуды сигнала от наличия промасленной ветоши на поверхности трубы. Некоторое превышение амплитуд сигналов от дефекта на трубе в ветоши объясняется отсутствием на трубе с промасленной ветошью участков скопления контактной жидкости, от которых может происходить отражение волн Лэмба.

4. Рисунок 10 показывает зависимость величины амплитуды сигнала от наличия бетона на поверхности трубы. Приблизительно можно считать, что наличие соприкосновения бетона с трубой значительно уменьшает амплитуду сигнала.

Для выбора оптимальных параметров ультразвуковой толщинометрии проводились экспериментальные исследования точности измерений при автоматической регистрации результатов ультразвукового измерения толщины стенок труб внутренних газопроводов жилых зданий в зависимости от параметров сканирования и вида контактной жидкости. Схема установки для проведения эксперимента представлена на Рис.11. Для проведения экспериментов по выбору оптимальных параметров при динамических измерениях толщины стенок труб были изготовлены образцы, имитирующие тело трубопровода и имеющие

коррозионные повреждения. Образцы изготовлялись из труб, вырезанных из действующих трубопроводов (материал Ст 3 сп по ГОСТ 3262-75, толщина - 2.83 мм).

Рисунок 11- внешний вид средств УЗ толщинометрии. Для различных пространственных положений контролируемых участков ) трубы установлены оптимальные направления и скорости сканирования, определены критерии обеспечения акустического контакта. В частности, установлено:

1. С увеличением скорости сканирования во всех пространственных положениях растет погрешность измерений;

2. Наилучшие результаты толщинометрии получены при сканировании в горизонтальном и боковом положениях;

3. Оптимальная скорость сканирования при различных пространственных положениях областей сканирования составила: в горизонтальном положении - не более 60 мм/с, в боковом положении - не более 60 мм/с; при движении вверх - не более 20 мм/с; в «потолочном» положении - не более 20 мм/с.

4. При движении в направлении «вниз» измерения нецелесообразны из-за недопустимого количества потерь акустического контакта и низкой точности контроля

5. Использование в качестве контактной жидкости глицерина в 3,5 раза, по сравнению с обойным клеем, уменьшает количество обрывов акустического контакта.

6. Предельная скорость сканирования во всех положениях 100 мм/с, выше которой прибор не фиксирует все точки пути.

Необходимо отметить преимущества измерений толщины стенок труб в динамическом режиме, главным из которых является построение рельефного рисунка контролируемой поверхности с указанием толщины стенки трубы в каждой конкретной точке. Данная дефектограмма позволяет нам судить о степени коррозионного повреждения и остаточной толщине стенки трубы.

В четвертой главе представлена технология комплексного контроля недоступных участков трубопроводов. В том числе разработана технология ультразвукового контроля коррозионных повреждений стенок внутренних газопроводов с применением волн Лэмба. Для данной технологии рассчитаны рекомендуемые частоты вводимой волны для различных толщин в диапазоне 3- 6 мм, рекомендуемый угол ввода волны.

Также представлен специализированный стандартный образец предприятия СОП-М для настройки необходимого масштаба развертки дефектоскопа и его усиления. Образец СОП-М изготавливается из материала, соответствующего

материалу изготовления объекта контроля, толщина образца - номинальной | толщине контролируемого объекта. На образце наносятся искусственные дефекты в виде сквозных сверлений различной глубины.

На бездефектной зоне образца настраивается масштаб развертки таким образом, чтобы были отчетливо различимы сигналы от выбранных для контроля мод волны Лэмба (в качестве рабочей была выбрана мода 1-го порядка).

В зоне со сквозным сверлением на образце СОП-М настраивается коэффициент усиления прибора. Рекомендуется усиление прибора устанавливать таким образом, чтобы сигнал от нулевой моды был близок к середине экрана.

С целью проверки возможности применения разработанной технологии ультразвукового контроля с применением волн Лэмба на реальных объектах был разработан стенд, имитирующий межэтажное перекрытие (Рис.12).

Труба со сварным швом укладывается в цилиндрическую полость одного из элементов перегородки и сверху накрывается другим элементом. В результате получается имитация прохождения трубопровода через межэтажное перекрытие.

В качестве образцов использовались вырезанные участки реальных трубопроводов, имеющих толщину стенок ниже браковочного уровня, вследствие коррозионного поражения. Количество выше указанных образцов составляет 5 штук, где толщины стенок находятся в диапазоне 1.6 мм - 2.1 мм. Образцы помещались в имитатор межэтажного перекрытия и проводилась проверка.

Рисунок 12. Стенд - имитатор межэтажного перекрытия: 1. 3 - перекрытие, 2-труба. 4- стандартный образец, 5- НЭП, 6-контактная жидкость.

Для определения достоверности результатов контроля, толщины стенок труб, пораженных коррозией, измерялись поверенным ультразвуковым толщиномером УТ-98 СКАТ в комплекте с датчиком пути.

Результатом проведенных экспериментов стало подтверждение возможности применения разработанной методики контроля участков трубопроводов, проходящих через межэтажные перекрытия и перегородки, где основным критерием оценки была точность определения остаточной толщины стенки.

Итогом проделанных расчетов и экспериментов стала разработка методики по комплексному техническому диагностированию внутренних газопроводов жилых зданий и ее проверка на реальных образцах.

Основные выводы и результаты.

1. Установлены механизмы образования коррозионных повреждений труб межэтажных перекрытий, дана оценка факторам, влияющим на скорость коррозии, показана необходимость применения комплекса методов

неразрушающего контроля для эффективной оценки технического состояния трубопровода.

2. Разработана расчетная модель для проведения теоретических исследований по выбору близких к оптимальным параметров УЗ преобразователя для контроля труб в межэтажных перекрытиях. Теоретически определены близкие к оптимальным параметры пьезоэлектрического преобразователя для контроля труб в межэтажных перекрытиях излучающего волны Лэмба: угол клина 6=45,67°, материал клина полистирол, рабочая частота f = 1,25 МГц, материал излучающего пьезоэлемента - цирконат-титаната свинца (ЦТС-19).

3. На основании экспериментальных исследований показана целесообразность применения для контроля труб межэтажных перекрытий наряду с ультразвуковым контролем, визуально-измерительного и контроля герметичности, определены критерии разбраковки по каждому методу.

4. Разработана технология ультразвукового контроля недоступных участков трубопроводов (в т.ч. волнами Лэмба) и предложены средства для ее реализации.

5. Экспериментально исследованы особенности отражения волн Лэмба от искусственных и естественных дефектов и определены близкие к оптимальным параметры контроля (тип контактной жидкости и скорость сканирования) при проведении динамических ультразвуковых измерениях толщины стенки труб внутренних газопроводов жилых зданий.

6. Разработана методика по комплексному техническому диагностированию внутренних газопроводов жилых зданий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шкатов П.Н., Зубарев A.C. Выбор оптимальной схемы УЗ контроля газовых и водяных труб проходящих через межэтажные перекрытия в жилых зданиях и имеющие большой срок эксплуатации. Приборостроение. - Орел: Известия ОрелГТУ - Сер. Машиностроение.-2011. - № 2- с. 141-146.

2. Зубарев A.C. Ультразвуковой контроль газовых и водяных труб в зоне межэтажных перекрытий жилых зданий. Приборы. - Москва: - 2011. - №10 - с. 41-44.

3. Зубарев A.C. Исследование параметров ультразвуковой толщинометрии стенок внутренних газопроводов жилых зданий при динамических измерениях. Приборостроение. - Орел: Известия ОрелГТУ - Сер. Машиностроение.-2011. - № 3-е. 145-150.

4. Зубарев A.C. «Ультразвуковой контроль газовых и водяных труб, проходящих через межэтажные перекрытия зданий». Тезисы докладов семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, ПБГУ, 2011. с. 243.

5. Зубарев A.C. «Анализ типовых дефектов внутренних газопроводов жилых зданий и причин их появления. Выбор оптимального метода НК». Тезисы докладов XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики» г. Сочи, МГУПИ.2011. С.87-93.

61 12-5/453

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

7

ЗУБАРЕВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

УДК 621.791.052.08

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ГАЗОПРОВОДОВ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий».

)

Научный руководитель -д.т.н. профессор П.Н. Шкатов

Москва-2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. Характеристика объекта контроля. Постановка задач исследования...........................................................................................................7

1.1. Требования к трубам...................................................................................7

1.2. Сварочно-монтажные работы. Контроль качества сварки внутренних газопроводов.......................................................................................................12

1.3. Анализ типовых дефектов внутренних газопроводов и причин их возникновения....................................................................................................16

1.4. Особенности применения ультразвукового метода неразрушающего контроля..............................................................................................................25

Глава 2. Теоретическое исследование электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа с клиновым пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП)....................................................................................28

2.1. Исследование электроакустического тракта и выбор параметров пьезоэлектрического преобразователя.............................................................28

2.2. Разработка специализированного преобразователя для контроля труб в межэтажных перекрытиях волнами Лэмба....................................................33

ГЛАВА 3. Анализ возможности применения различных методов неразрушающего контроля. Исследование параметров ультразвукового контроля труб межэтажных перекрытий.......................................................35

3.1. Анализ факторов влияющих на выбор метода или комплекса методов неразрушающего контроля................................................................................35

3.2. Анализ возможностей применения комплекса методов неразрушающего контроля (ВИК, УК, ПВТ)..................................................45

3.3. Исследование отражения нормальных волн от различных типов дефектов..............................................................................................................48

3.4. Исследование параметров ультразвуковой толщинометрии стенок труб внутренних газопроводов жилых зданий при динамических измерениях. 61

ГЛАВА 4. Методика комплексного неразрушающего контроля

внутренних газопроводов...................................................................................70

4.1. Комплекс работ поискового уровня........................................................70

4.2. Подготовительные работы.......................................................................71

4.3. Настройка аппаратуры..............................................................................72

4.4. Проведение контроля................................................................................79

4.5. Анализ результатов контроля..................................................................89

4.6. Экспериментальная проверка разработанной методики......................90

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.....................................................................................94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................96

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день широкое внедрение комплексного технического диагностирования с выявлением дефектных участков и их последующей заменой, может решить проблему безопасной эксплуатации внутренних газопроводов жилых зданий, что позволит существенно снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций и исключить возможные человеческие жертвы.

В настоящее время более чем у половины всех систем внутреннего газоснабжения, которые эксплуатируются в России, истек нормативный срок службы 30 лет (МДС 42-1.2000 «Положение о диагностировании технического состояния внутренних газопроводов жилых и общественных зданий»). По истечении этого срока, для обеспечения надлежащего уровня безопасности необходимо либо полностью заменить внутренний газопровод, либо провести замену только поврежденных участков выявленных в процессе проведения технического диагностирования. По имеющейся статистике одно повреждение приходится в среднем на 1000 метров внутреннего газопровода. При этом по предварительным оценкам стоимость работ по комплексной диагностике вместе с последующим ремонтом будет ниже полной замены внутреннего газопровода приблизительно в 10 раз.

В данной работе рассмотрены типовые дефекты труб проходящих через межэтажные перекрытия и причины их образования. Было установлено, что характерным дефектом труб находящихся в межэтажных перекрытиях являются коррозионные повреждения и как следствие, сильное утонение стенки. Основываясь на результатах данной работы, был сформулирован алгоритм проведения комплексного технического диагностирования внутренних трубопроводов жилых зданий. Проведен анализ возможности применения различных методов неразрушающего контроля с указанием требуемых параметров контроля.

В работе были проанализированы возможности использования различных методов неразрушающего контроля с целью возможности их

применения для контроля внутренних газопроводов. Наибольший интерес представляло изучение возможности применения нормальных волн при проведении ультразвукового контроля труб проходящих через межэтажные перекрытия. Было установлено, что исследованию возможностей применения нормальных волн при ультразвуковом контроле посвящены работы российских ученых: А. А. Дерябина, И.А. Викторова, В.Т. Боброва, и иностранных специалистов: Gringsby T.N., Tajchman Е. J., Frederick C.L., Worlton D. Известные методики контроля волнами Лэмба позволяют обнаружить сложно ориентированные поверхностные дефекты, измерять толщину металла, исследовать механические характеристики материалов. На основе применения нормальных волн возможно выявление в находящихся в межэтажных перекрытиях трубах внутренних дефектов типа трещин, пор и других объемных несплошностей. Ультразвуковой контроль труб находящихся в межэтажных перекрытиях по известным методикам не дает полного представления о техническом состоянии труб, находящихся в длительной эксплуатации. В частности им не выявляются коррозионные поражения, механические повреждения, повреждения лакокрасочного покрытия и т.д., которые негативно влияют на остаточный ресурс трубы.

Таким образом, целью работы является повышение эффективности диагностирования труднодоступных участков трубопроводов зданий и сооружений на основе комплекса методов неразрушающего контроля, включающего усовершенствованный ультразвуковой контроль, течеискание и визуально - измерительный метод.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ характерных повреждений трубопроводов и причин их образования;

2. Разработать расчетную модель для проведения теоретических исследований по выбору близких к оптимальным параметров УЗ преобразователя, ориентированного на контроль труб в межэтажных перекрытиях.

3. На основании имеющихся образцов труб межэтажных перекрытий провести исследование по выбору близких к оптимальным параметров при ультразвуковом измерении толщины стенок открытой части трубопровода в динамическом режиме.

4. Провести на натурных объектах экспериментальные исследования ультразвукового, визуально-измерительного метода и метода контроля герметичности с целью определения критериев брака по каждому методу.

5. Разработать методику комплексного диагностирования труб межэтажных перекрытий и провести ее апробирование.

ГЛАВА 1. Характеристика объекта контроля. Постановка задач

исследования.

1.1. Требования к трубам.

В соответствии со СНиП 2.04.08-87 «Газоснабжение» для систем

газоснабжения жилых, нежилых помещений, котельных и других объектов следует применять трубы, удовлетворяющие следующим требованиям:

1. Стальные трубы для систем газоснабжения давлением до 1,6 МПа (16 кгс/см2) для наружных надземных газопроводов, прокладываемых в районах с расчетной температурой наружного воздуха не ниже минус 40 °С, а также подземных и внутренних газопроводов, которые не охлаждаются до температуры ниже минус 40 °С принимаются по таблице 1;

2. Для систем газоснабжения следует принимать трубы, изготовленные, как правило, из углеродистой стали обыкновенного качества по ГОСТ 380— 88 и качественной стали по ГОСТ 1050—88.

3. Для газопроводов жидкой фазы СУГ следует применять, как правило, бесшовные трубы.

Допускается применять для этих газопроводов электросварные трубы. При этом трубы диаметром до 50 мм должны пройти 100%-ный контроль сварного шва неразрушающими методами, а трубы диаметром 50 мм и более также и испытание сварного шва на растяжение.

4. Трубы по ГОСТ 3262—75 допускается применять для строительства наружных и внутренних газопроводов низкого давления.

Трубы по ГОСТ 3262-75 с условным диаметром до 32 мм включительно допускается применять для строительства импульсных газопроводов давлением до 1,2 МПа (12 кгс/см ) включительно. При этом гнутые участки импульсных газопроводов должны иметь радиус гиба не менее 2Д, , а температура стенки трубы в период эксплуатации не должна быть ниже 0° С.

Стандарт или технические условия на трубы Марка стали, стандарт на сталь Наружный диаметр трубы (включит.), мм

1. Электросварные прямошовные ГОСТ 10705—80 (группа В) „Технические условия" и ГОСТ 10704—91 „Сортамент" ВСт2сп, ВСтЗсп не менее 2-й категории ГОСТ 380—88; 10, 15, 20 ГОСТ 1050-88 10-530

2. Бесшовные горячедеформированные ГОСТ 8731—87 (группа В и Г) „Технические требования" и ГОСТ 8732-78 „Сортамент" 10, 20 ГОСТ 1050-88 45 - 325

3. Бесшовные холоднодеформированные, теплодеформированные ГОСТ 8733—87 (группа В и Г) „Технические требования" и ГОСТ 8734—75 „Сортамент" 10, 20 ГОСТ 1050—88 10-45

4. Бесшовные горячедеформированные по ТУ 14-3-190-82 (только для тепловых электростанций) 10, 20 ГОСТ 1050—88 57 - 426

Таблица 1.1. Сортамент труб.

В соответствии с ГОСТ, при поставке труб должны соблюдаться следующие требования к их качеству:

Трубы стальные водогазопроводные ГОСТ 3262-75

Трубы изготовляют в соответствии с требованиями настоящего стандарта и по технологическим регламентам, утвержденным в установленном порядке, из сталей по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 1050-88 без нормирования механических свойств и химического состава.

Трубы для деталей водопроводных и газопроводных конструкций изготовляют из сталей по ГОСТ 1050-88.

На поверхности труб не допускаются трещины, плены, вздутия и закаты.

На торцах труб не допускаются расслоения.

Допускаются отдельные вмятины, рябизна, риски, следы зачистки и другие дефекты, обусловленные способом производства, если они не выводят толщину стенки за минимальные размеры, а также слой окалины, не препятствующий осмотру.

На трубах, изготовленных методом печной сварки, допускается в месте шва уменьшение наружного диаметра до 0,5 мм при наличии в этом месте пологого утолщения по внутреннему диаметру не более 1,0 мм.

По требованию потребителя на трубах с условным проходом 20 мм и более на внутренней поверхности шва труб грат должен быть срезан или сплющен, при этом высота грата или его следов не должна превышать 0,5 мм.

По требованию потребителя на трубах условным проходом более 15 мм, изготовленных методом печной сварки и способом горячего редуцирования, на внутренней поверхности труб в зоне шва допускается пологое утолщение высотой не более 0,5 мм.

Трубы стальные электросварные

На поверхности труб не допускаются трещины, плены, закаты, рванины и риски.

Рябизна, забоины, вмятины, мелкие риски, слой окалины и следы зачистки допускаются при условии, если они не выводят толщину стенки и диаметр трубы за предельные отклонения. Допускается смещение кромок до 10 % от номинальной толщины стенки.

Поверхность труб, термически обработанных в защитной атмосфере, не должна иметь окалины. Допускается наличие окисной пленки.

Непровары швов должны быть заварены, место заварки зачищено. По соглашению с потребителем на трубах диаметром 159 мм и более в местах ремонта швов сваркой допускается смещение свариваемых кромок не более 20% от номинальной толщины стенки и высота валика усиления не более 2,5 мм.

Ремонт сваркой основного металла труб не допускается.

В случае ремонта сваркой труб, прошедших термическую обработку, они подвергаются повторной термической обработке (соответственно по всему объему или по сварному соединению).

На трубах диаметром 57 мм и более допускается один поперечный шов.

По соглашению изготовителя с потребителем один поперечный шов допускается на трубах диаметром менее 57 мм.

Наружный грат на трубах должен быть удален. В месте снятия грата допускается утонение стенки на 0,1 мм сверх минусового допуска.

По требованию потребителя на трубах внутренним диаметром 33 мм и более внутренний грат должен быть частично удален или сплющен, при этом высота грата или его следов не должна превышать 0,35 мм — при толщине стенки менее 2 мм; 0,4 мм — при толщине стенки от 2 до 3 мм; 0,5 мм — при толщине стенки свыше 3 мм.

Высоту внутреннего грата или его следов для труб внутренним диаметром менее 33 мм устанавливают по согласованию изготовителя с потребителем.

Трубы стальные электросварные прямошовные.

Трещины, плены, раковины, расслоения и закаты на поверхности труб не допускаются.

Незначительные забоины, рябизна, вмятины, мелкие риски, тонкий слой окалины, следы зачистки и заварки дефектов допускаются, если они не выводят толщину стенки за предельные отклонения. Кроме того, допускается продольная риска глубиной не более 0,2 мм, наносимая при автоматической сварке для направления шва.

Разрешается заварка дефектов труб с последующей зачисткой места заварки и повторным испытанием гидравлическим давлением.

Поверхностные дефекты металла шва в виде пор, раковин, трещин, свищей и других дефектов, снижающих плотность и прочность металла шва ниже уровня основного металла, не допускаются.

Допускаются следы усадки металла вдоль продольной оси шва (утяжины). При этом величина усадки не должна выводить высоту усиления за пределы допускаемой минимальной высоты шва.

Переход от усиления шва к основному металлу должен быть плавным (без подрезов).

Допускаются без ремонта подрезы глубиной до 0,5 мм. При совпадении подрезов на наружном и внутреннем швах один из них должен быть отремонтирован.

Допускается производить ремонт сварных труб с последующим испытанием их гидравлическим давлением или контролем места ремонта физическими методами.

Трубы стальные электросварные холоднодеформированные.

Овальность и разностенность труб не должны выводить размеры труб за предельные отклонения соответственно по диаметру и толщине стенки.

По требованию потребителя овальность и разностенность труб не должны превышать 0,8 общего поля допуска соответственно по диаметру и толщине стенки.

По высоте внутреннего грата трубы изготовляют трех категорий:

I — с остатками грата высотой не более 0,3 мм,По требованию потребителя грат с внутренней поверхности труб может не удаляться. В этом случае высота грата должна быть не более 0,6 толщины стенки трубы;

II — с остатками грата высотой не более 0,15 мм;

III — без грата (толщина стенки в области сварного шва в пределах допуска на толщину стенки).

На поверхности труб не допускаются трещины, плены, рванины, раковины, закаты.

Допускаются отдельные забоины, следы окалины, не препятствующие осмотру, вмятины, следы правки, риски и следы зачистки дефектов, если они не выводят размеры труб за предельные отклонения. На поверхности труб,

термически обработанных в защитной атмосфере, не допускаются следы окалины. Допускается наличие окисной пленки и цветов побежалости.

На внутренней поверхности труб II и III категорий по грату допускается наличие отдельных раскатанных остатков снятого грата, если они не выводят размеры труб за предельные отклонения.

1.2. Сварочно-монтажные работы. Контроль качества сварки

внутренних газопроводов.

Сборка и сварка трубопроводов в соответствии с СНиП 3.05.02-88 должна производиться в соответствии с изложенными ниже требованиями.

Для соединения труб следует применять дуговую (ручную, автоматическую под флюсом) и газовую сварку, стыковую контактную сварку оплавлением и пайку газопроводов.

Типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений стальных газопроводов должны соответствовать ГОСТ 16037-80. Для подземных газопроводов следует применять только стыковые и угловые соединения.

Конструктивные размеры разделки кромок при соединении труб и деталей одинакового наружного диаметра с разной толщиной стенок должны соответствовать требованиям СНиП Ш-42-80.

Допускаемое смещение кромок свариваемых труб не должно превышать величины 0,15S + 0,5 мм, где S — наименьшая из толщин стенок свариваемых труб, мм.

Стыковую контактную сварку и пайку газопроводов, а также контроль качества этих работ следует производить в �